CN213810620U - 一种可实现无焰燃烧的辐射管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现无焰燃烧的辐射管，包括U型辐射管管体，辐射管管体两端分别为燃料及助燃空气入口和烟气出口；在辐射管管体的入口和出口端之间焊有用于烟气回流的连接管，在连接管轴线中间焊有一块挡板，挡板的平面与辐射管两端口平行，挡板长于连接管，挡板上端与辐射管内径相切，当辐射管内直径为R时，挡板下端伸到烟气出口端的长度为0.6R～0.8R，连接管内挡板的右侧中上部有一圆弧形曲面，弧形面朝向U型辐射管管体。本辐射管具有结构简单，制作容易，成本低廉，加热效率高和适用性强等特点；使用本辐射管时不需要选择特定辐射管燃烧器，能卷吸烟气以稀释燃料和助燃空气，实现辐射管内无焰燃烧。

Description

一种可实现无焰燃烧的辐射管

技术领域

本实用新型涉及一种U型辐射管，具体地说是涉及一种在U型辐射管内部可实现无焰燃烧的辐射管。

背景技术

在热处理行业中燃气辐射管是一种常见的工业间接加热设备，应用很广泛。目前我国的辐射管使用存在的问题是：燃气燃烧时辐射管壁面的温度差异一般为200℃左右，无法满足对温度均匀性要求较高的金属材质加热的需求；且辐射管壁面较大的温度差异会对高温条件下服役的辐射管体造成蠕变破坏，直接恶化了辐射管的使用寿命；同时在环境保护方面，以传统的燃烧方式燃料在辐射管内燃烧，NOx排放量在1000ppm左右，产生大量的NOx造成空气污染、形成酸雨等，对环境产生破坏。

导致生成NOx途径分为三类：燃料型、快速型、热力型。热力型NOx是燃料燃烧产物中NOx的主要来源，当燃烧温度高于1723K(即1450℃)时，NOx会大量生成。由于目前传统的燃烧模式温度峰值普遍在2000K以上，因此会大量生成NOx。

为进一步提升辐射管热效率并减少NOx排放量，提升辐射管温度均匀性，近年提出了一种新的燃烧方式，是一种温和与极度低氧稀释燃烧(Moderate&Intense Low OxygenDilution combustion，缩写为MILD燃烧)，又称无焰燃烧或无焰氧化，其特点是热流分布均匀、反应速率低、无可见火焰锋面、燃烧峰值温度低、污染物排放(主要是CO和NOx)超低及噪声低。这种温和燃烧现在已经被认为是最有前途的燃烧技术之一。

鉴于MILD燃烧的上述优点，不少研究者创造性的尝试在辐射管内实现MILD燃烧，以攻克目前辐射管的发展瓶颈。但这些研究主要集中在对辐射管烧嘴的改造上，在辐射管上的改造鲜有研究。

钢铁行业工业炉中MILD燃烧技术的研究主要集中在明火加热炉上。而在明火加热炉内实现MILD燃烧，需对燃烧器的燃料、空气入射孔及排气孔分布进行重新设计，以优化炉内空、燃气的混合，以及烟气的卷吸量，以实现辐射管内的MILD燃烧，因此，目前很有必要开发一种新的辐射管结构，在不改变通常配合使用的辐射管燃烧器时也能实现辐射管内的MILD燃烧，达到增强辐射管表面温度均匀性、降低NOx的排放、增加热效率、延长设备使用寿命的效果。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的问题，而提供一种结构简单，制作容易，成本低廉的可实现无焰燃烧的辐射管，能在不改变通常配合使用的辐射管燃烧器的条件下实现辐射管内的无焰燃烧，且在使用时其能较大程度地使烟气回流以稀释燃料和助燃空气，进而改变目前辐射管内的传统燃烧方式，实现辐射管内无焰燃烧。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种可实现无焰燃烧的辐射管，包括U型辐射管管体，辐射管管体两端分别为燃料及助燃空气入口和烟气出口，在辐射管管体的入口和出口端之间连接有用于烟气回流的连接管；在所述的连接管内轴线正中间焊有一块挡板，挡板的平面与辐射管两端口平行，挡板长于连接管，挡板的上端与辐射管内径相切，挡板的下端伸到烟气出口端的辐射管管体内，挡板的右侧中上部有一圆弧形曲面，圆弧形曲面的弧面朝向U型辐射管管体，圆弧形曲面的圆心位于挡板外。

当辐射管管体的内径为R时，所述的挡板比连接管长0.6R～0.8R。

所述的圆弧形曲面与挡板相接处的弦长D与挡板的宽度L相等。

所述的挡板和圆弧形曲面为分开制作后安装在一起的部件，或将挡板和圆弧形曲面制成一体的部件。

改变所述的烟气回流连接管管径用以调节烟气卷吸量。

本实用新型可实现无焰燃烧的辐射管在U型辐射管的燃料及助燃空气入口与烟气出口之间设置了用于回流烟气的连接管，解决了辐射管内空间小，烟气没有有效回流的通道问题。回流烟气连接管是MILD燃烧得以实现的核心结构之一，是必要的结构，因其在燃料及助燃空气入口端与烟气出口之间开辟出一条可供烟气回流的直接通道；但光有回流烟气的连接管还不能改变传统的燃烧方式，还不能实现无焰燃烧。因此本实用新型采用了在连接管轴线正中间焊了一块超过连接管长度的挡板和在挡板上设的圆弧形曲面的组合结构，且弧形曲面朝向辐射管管体内侧，挡板上端与烟气回流连接管平齐，避免挡板上端影响入射来的燃料及助燃空气流，而挡板下端则长于烟气回流连接管，伸到烟气出口端的辐射管管体中，增设的连接管和在其内安装了带有圆弧形曲面的挡板的组合结构，构成可自行卷吸烟气的通道，这是实现辐射管内MILD燃烧的关键部件，是充分必要的结构。在辐射管使用过程中，连接管和带有圆弧形曲面的挡板的组合结构和在燃料与助燃空气入口附近形成的较大负压区相配合，这样才能保证有较大程度的烟气卷吸量，才能使燃料和助燃空气得到足够多的稀释量，进而在辐射管内实现无焰燃烧。

本实用新型的可实现无焰燃烧的辐射管与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本实用新型的辐射管适用性强。本辐射管不需要对辐射管管体直径和长度尺寸做改变，保持了原辐射管管径、长度等主要尺寸，因此本实用新型的辐射管能够完美适应其原使用环境，完全可以适应原先的辐射管燃烧器和退火炉，可与目前使用的燃烧器配套使用，只需燃烧器保证燃料与助燃空气有较大入射速度即可，不需要复杂的配风盘，一二次风结构等，极大节约燃烧器设计改装及制造成本，烟气出口后部连接的其他装置，例如换热器，可以直接连接使用，不需要重新设计。

⑵、本实用新型辐射管增加了辐射管辐射面积。传统辐射管经过了近90年的发展，辐射管管径、长度尺寸都有最佳范围，辐射面积也有一个相对固定的值，因此能够在不影响其性能的前提下增加辐射管面积就显得很困难了。而本实用新型在不影响U型辐射管性能的前提下，增设烟气回流的连接管提高了辐射面积可提高炉温，提高热效率。

⑶、本实用新型的辐射管热效率高。由于本辐射管可自行卷吸烟气，高温烟气的大量回流，一方面极大稀释燃气及助燃空气，实现MILD燃烧；另一方面，回流烟气携带了大量热能，这些热能在辐射管内得到了循环重复利用，极大地提高了辐射管热效率。

⑷、本实用新型的辐射管结构简单，制作容易，成本低廉。本辐射管只在传统的U型辐射管增设了用于烟气回流的连接管及与其配合使用的挡板和圆弧形曲面的组合结构，提供了烟气卷吸回流的通道，及保证卷吸较大的烟气回流量，进而实现MILD燃烧，MILD燃烧时辐射管内温度峰值<1723K(即小于1450℃)，热力型NOx几乎消失，整体NOx生成量极大减少；此外，因燃烧在整个辐射管内进行，故辐射管管壁温度均匀性极大改善，温差极值在40K以下；燃烧过程噪音极小。

附图说明

图1为本实用新型可实现无焰燃烧的辐射管结构示意图。

图2为本实用新型的烟气回流连接管剖面结构示意图。

图3为本实用新型挡板和圆弧形曲面结构示意图。

图4为仅在辐射管两端口安装连接管时烟气回流数值仿真模拟示意图。

图5为本实用新型在烟气回流连接管中安装挡板和圆弧形曲面组合结构时烟气回流数值仿真模拟示意图。

上述图中：1—辐射管管体，2—燃料及助燃空气入口，3—烟气出口，4—连接管，5—挡板，6—圆弧形曲面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的可实现无焰燃烧的辐射管作进一步说明，本实用新型中的附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，及显示与本实用新型有关的构成。本实用新型描述中的术语“左侧”、“右侧”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，因此不能理解为对实用新型的限制。

实施例1：本实用新型提供一种可实现无焰燃烧的辐射管，其结构如图1、2、3所示，本实用新型的辐射管包括U型辐射管管体1，辐射管管体两端分别为燃料及助燃空气入口2和烟气出口3；在所述的燃料及助燃空气入口和烟气出口之间连接有用于烟气回流的连接管4，在烟气回流连接管内轴线正中间焊有一块挡板5，挡板的平面与辐射管两端口平行，挡板长于连接管，挡板的上端与辐射管内径相切，挡板的下端伸到烟气出口端的辐射管管体内，本实施例中挡板的下端长于连接管部分的长度为0.6R，R为辐射管内径，连接管内的挡板右侧的中上部有一圆弧形曲面6，圆弧形曲面的弧面朝向U型辐射管管体；圆弧形曲面不是半圆，圆弧形曲面的圆心位于挡板外，圆弧形曲面与挡板相接的弦长D与挡板的宽度L相等。本实施例中挡板5与圆弧形曲面6是分开加工的两个部件，最后把圆弧形曲面与挡板安装在一起。

使用本实用新型的辐射管时，燃气和助燃空气从燃料及助燃空气入口2高速喷入辐射管内，高速喷入的燃气和助燃空气在燃料及助燃空气入口附近形成较大负压区，从而与连接管及烟气出口间形成压差；而燃气和助燃空气燃烧反应后的烟气流往烟气出口，途中迎面遇到挡板5的阻挡，被阻挡的烟气速度急剧降低，受压差作用，高温烟气转向从连接管4右侧自下而上回流，且圆弧形曲面破坏了右侧气流漩涡，使得右侧烟气回流更加快速顺畅；挡板左侧的烟气也以稍低速自下而上回流。挡板两侧回流的烟气与燃料及助燃空气混合，使燃料和助燃空气得到较大程度的稀释，使得燃烧反应在整个辐射管内进行，进而在辐射管内实现无焰燃烧。

参见图4，当仅仅在辐射管入口端与出口端安装连接管4时，对带连接管结构的辐射管利用计算机中的模拟软件ANSYS，进行了数值仿真模拟，结果显示：辐射管出口端的高温烟气无法有效地通过连接管进行大量的回流，原因是，尽管入口处燃料及助燃空气高速流过，在连接管上端造成了负压区，但是辐射管出口端的高温烟气快速流过烟气回流连接管下端口时，由于惯性作用，高温烟气仅在连接管左侧壁面有明显的回流，即由下向上流，回流的烟气在连接管中间及右侧壁面会形成一个旋涡，极大的阻碍了烟气向上的回流，烟气回流量不足以使得燃料和助燃空气得到有效的稀释，从而无法实现辐射管内MILD燃烧。图中的小箭头表示烟气流动的方向与流量。

参见图5，当本实用新型采用了在连接管轴线中间焊接了超过连接管长度的挡板和在挡板上设了圆弧形曲面的组合结构后，且使挡板上端与连接管平齐，避免挡板上端影响入射的燃料及助燃空气流，而挡板下端则长于连接管，伸到烟气出口端的辐射管管体内，这样利用了挡板下端有效地阻挡高温烟气快速从连接管下端口流向烟气出口，挡板使烟气改变流动方向，当燃料及助燃空气高速通过辐射管入口端时，其产生的气压差，卷吸起大量的烟气。从图4、5对比可见，图5中烟气密集地在连接管右侧沿挡板自下往上向燃料及助燃空气入口流动，圆弧形曲面可避免烟气在回流连接管右侧形成小漩涡，且在圆弧形曲面处通道较窄，烟气流动提速，烟气密集地向上流动，同时在挡板左侧烟气虽处于速度较低状态，烟气也自下而上流动；设置的挡板和圆弧形曲面能使烟气回流更加快速顺畅，卷吸回流烟气量更加可观，这样明显地提高了烟气回流量，使燃料和助燃空气得到足够大程度的稀释，进而在辐射管内实现MILD燃烧。

实施例2：本实用新型提供一种可实现无焰燃烧的辐射管，其结构与实施例1基本相同，不同的只是因与本辐射管配套使用的辐射管燃烧器不同，本实施例安装的烟气回流连接管4的管径加大一点，这样使烟气卷吸回流的通道加大了，利以提高烟气卷吸量；同时本实施例挡板的下端长于连接管部分的长度为0.8R，也就是挡板下端伸出连接管部分的长度为0.8倍辐射管内径，同时所述的圆弧形曲面6与挡板5为一体的加工件；其余的结构与实施方式与实施例1相同。

本实用新型提供了一种新型的辐射管，可在不改变原辐射管的外观管径及长度尺寸，在不需要选择特定辐射管燃烧器的条件下，使用时能较大程度地卷吸烟气，用回流的烟气稀释燃料和助燃空气，进而改变辐射管内的传统燃烧方式，实现辐射管内MILD燃烧。本辐射管具有结构简单，制作容易，成本低廉，加热效率高和适用性强等特点。

Claims (5)

1.一种可实现无焰燃烧的辐射管，包括U型辐射管管体，辐射管管体两端分别为燃料及助燃空气入口和烟气出口，在辐射管管体的入口和出口端之间连接有用于烟气回流的连接管；其特征在于：在所述的连接管内轴线正中间焊有一块挡板，挡板的平面与辐射管两端口平行，挡板长于连接管，挡板的上端与辐射管内径相切，挡板的下端伸到烟气出口端的辐射管管体内，挡板的右侧中上部有一圆弧形曲面，圆弧形曲面的弧面朝向U型辐射管管体，圆弧形曲面的圆心位于挡板外。

2.根据权利要求1所述的可实现无焰燃烧的辐射管，其特征在于：当辐射管管体的内径为R时，所述的挡板比连接管长0.6R～0.8R。

3.根据权利要求1所述的可实现无焰燃烧的辐射管，其特征在于：所述的圆弧形曲面与挡板相接处的弦长D与挡板的宽度L相等。

4.根据权利要求1所述的可实现无焰燃烧的辐射管，其特征在于：所述的挡板和圆弧形曲面为分开制作后安装在一起的部件，或将挡板和圆弧形曲面制成一体的部件。

5.根据权利要求1所述的可实现无焰燃烧的辐射管，其特征在于：改变所述的烟气回流连接管管径用以调节烟气卷吸量。

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